《思考宇宙》　第一部分
《思考宇宙》　艾萨克·牛顿(1)

    艾萨克·牛顿

    牛顿把题为《自然哲学的数学原理》的手稿提交皇家学会１６８６年４月２８日的会议，会议决定用学会的经费来出版该书。该书于１６８７年７月出版。从１６６６年起，牛顿开始制订力学原理：苹果的插曲发生在这个时期。这个故事是牛顿亲口说出来的，却被教师们视为传说，他们情愿闭口不谈此事。然而，这个故事却是个典范，因为这不是只要在沐浴于月光中的苹果树下幻想就能发现万有引力，而是因为它向我们揭示，这个发现的核心思想无法归结出来，却又极为简单：提出这样简单的问题，即“为什么月球不会像苹果那样落到地球上”，又隐约找到自相矛盾而又天才的回答：月球每时每刻都在朝地球落下来，我们这个卫星的轨道只是这样持续的下落和像投石器突然射出的石头那样笔直朝宇宙中飞去这两种运动相互抵消的结果。使这种想法成熟是另一回事，这花费了牛顿二十年的时间，但他显然一下子就提出了根本性的问题：伽利略已提出定律的物体下落，同月球按照开普勒凭经验得出的规律围绕地球的运动，是否遵照同一种物理定律？在《自然哲学的数学原理》的开头部分，牛顿下了一系列定义，首先是惯性力。

    第三条定义：存在于物质中的力（ｖｉｓ ｉｎｓｉｔａ）是物质的抗力。通过这种力，物体保持自己的静止状态或匀速直线运动状态。这种力总是同物体的质量成正比，它同被称为物质的惯性的区别只是在于构想的方式，因为惯性是这样的东西，它使人们在不做努力时不能改变一个物体的现状，即运动或静止的状态，因此，我们可以把惯性这一十分生动的名称赋予存在于物体中的力。每当要改变物体的现状时，物体就施加这种力，这时，我们可以从两个不同的方面来看待它，或者把它当做抗力，或者把它当做冲力。作为抗力时，物体抵抗企图使它改变状态的力，作为冲力时，这同一物体做出努力，以改变抵抗它的障碍物的状态。我们一般把抗力赋予静止的物体，把冲力赋予运动的物体，但人们通常构想的运动和静止只是相对的，因为人们以为静止的物体并非总是处于绝对静止的状态。

    （《自然哲学的数学原理》，Ａ．科伊雷和Ｂ．科恩编辑出版，Ｉ，４０）

    然后是阐述新的物理学的实质的定义。

    第四条定义：压力（ｖｉｓ ｉｍｐｒｅｓｓａ）是使物体的状态改变的作用，不管这种状态是静止还是匀速直线运动。这种力只在于作用，作用一旦停止，它就不再存在于物体之中。但是，物体只是因惯性力而保持它所处的新状态。压力可以有各种起因，它可能由冲击、挤压和向心力产生。

    （《自然哲学的数学原理》，Ｉ，４１）

    最后是向心力，它是压力的一种特殊形式。

    第五条定义：向心力使物体趋向于某一个像中心那样的点，不管它们被拉向或推向这个点，或者以某种方式趋向于这个点。重力使所有物体趋向于地球中心，磁力使铁趋向于磁铁，时刻使行星偏离直线运动并使它们沿曲线运动的力不管是怎样的，都属于这种力。

    （《自然哲学的数学原理》，Ｉ，４１—４２）

    牛顿以全新的思想重提投石器这个传统的例子。

    人们用手抓住系投石器皮革套的绳子末端，使皮革套里的石头旋转，手用力越大，石头就转得越快，放掉绳子，石头立即被抛出。手为了留住石头所用的力，与石头顶着皮革套的力大小相等、方向相反，由于前一种力总是趋向于手，即勾画出的圆的中心，所以我称之为向心力。

    做圆周运动的所有物体情况都相同，它们都竭力远离它们运行的中心，如果没有某种力量来抵消这种努力，使这些物体仍沿着自己的轨道运行，即如果没有某种向心力，它们就会以匀速运动直线离去。

    一个炮弹如不受到重力的作用，就不会重新落到地上，如果空气的阻力为零，它就会以匀速运动朝天上直线飞去。

    因此，由于它的重力，它运动的轨道才离开这条直线，不断弯曲，朝地上落下，弯曲的程度或多或少地取决于它的重力和它的运动速度。炮弹的重力同它物质的量相比越小，它的轨道偏离直线就越少，它在落到地上之前的运动距离就越长。